20. Lasery
Asi 40 let po zveřejnění Einsteinovy práce o stimulované emisi vyzkoušeli princip v oblasti mikrovln (tzv. maser) ruští fyzikové N. G. Basov a A. M. Prochorov a americký fyzik C. H. Townes. V roce 1964 za své objevy získali Nobelovu cenu. První laser zkonstruoval v USA T. H. Maiman v r. 1960. Slovo LASER je složeno z počátečních písmen anglického názvu zařízení: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Co to tedy laser vlastně je?
V kapitole o kvantování energie atomu a při výkladu Franck Hertzova experimentu bylo vysvětleno, že při přechodu atomu z vyššího do nižšího energetického stavu vyzáří atom kvantum energie hf21 = E2 - E1. Pokud to výběrová pravidla dovolí, půjde o zářivý přechod. Protože excitovaný stav není přirozený, stacionární, dojde dříve či později k tzv. spontánní emisi, kdy přebytek energie atom formou fotonu vyzáří samovolně. Protože jednotlivé atomy vyzařují nekoordinovaně, jsou vzniklá záření nekoherentní.
Spontánní emisi vykazují například zahřátá tělesa.
Při opačném procesu, při kterém atom v základním (nižším) energetickém stavu pohltí foton, přejde tento do vyšší energetické hladiny. Tento proces se nazývá absorpce.
Existuje však i proces, při němž foton dopadá na atom ve vyšší energetické hladině, přiměje ho však k přechodu do nižší hladiny za současného vyzáření dalšího fotonu i fotonu původně stimulujícího atom. Tento původní atom se při tomto ději nepohltí, oba fotony se pohybují týmž směrem, mají stejný kmitočet i fázi. Proces se může lavinovitě opakovat a záření se zesiluje. Hovoříme o stimulované emisi.
Oba procesy stimulovaná emise a absorpce jsou procesy opačné a stejně pravděpodobné. To, který z nich převládne, závisí na vzájemném poměru počtů částic na vyšší energetické hladině (nastane stimulovaná emise) nebo na hladině nižší (nastane absorpce). Zahřáté těleso má vždy více atomů na nižších energetických hladinách, ale tělesu lze dodat energii i jinak než pouhým zvýšením jeho teploty např. osvětlením, chemickou reakcí, elektrickým proudem apod. Pokud tímto způsobem zvýšíme počet atomů ve vyšším energetickém stavu nad počet těch v nižším stavu, vytvořili jsme populační inverzi a tento stav látky se zvýšenou energií nazýváme aktivní prostředí.
Běžné excitované stavy jsou nestacionární. Avšak existují excitované energetické hladiny, na nichž atom může setrvat relativně dlouho kolem 10-8 sekundy. Tyto hladiny nazýváme metastabilní hladiny. Pokud dojde k nahromadění atomů na takové hladině, nahodile spontánně vyzařují energii a my pozorujeme luminiscenci.? Uveďte příklady z technické praxe i z přírody, kde se s luminiscencí můžete setkat?
Odpověď: U světlušek v přírodě. V domácnostech u elektrických zářivek a úsporných žárovek, v televizních obrazovkách apod.
Při dosažení jakési prahové energie dodávané tělesu a vytvořením zpětné vazby (těleso umístíme mezi dvě rovnoběžná zrcadla), spustí se v tělese stimulovaná emise. Vznikl laser. Při cestě mezi zrcadly se paprsek mnohonásobně odráží a při průniku aktivním prostředím vyvolává opakovaně další přechody z metastabilní hladiny, přibírá další vyzářené fotony a sílí.
Protože paprsky, které se odchylují od optické osy zrcadel, po několika odrazech opustí systém bez zesílení, bude výsledný paprsek úzce směrovaný (toho využívají četná laserová zařízení laserové ukazovátko, laserový operační nůž, laserová pila aj.).
Jaké budou vlastnosti vzniklého laserového světla? - laserový záblesk je krátký - má velmi malou rozbíhavost - je vysoce monofrekvenční - je koherentní (sinusová elektromagnetická vlna) - světlo přenáší elektromagnetickou energii o vysoké prostorové, časové i spektrální hustotě, která je vyzářena v malém prostoru a čase.
Jak se takový paprsek chová v praxi? Pokud jej soustředíme na malou oblast neprůhledného materiálu, může jej okamžitě roztavit, popř. zahřát na velmi vysokou teplotu (až milióny stupňů Celsia). Toho využívají operační postupy v medicíně laserový skalpel, průmysl řezání kovů a kamenů, vědecký výzkum zbraně, likvidace nebezpečných objektů apod. Tenký nerozbíhavý laserový paprsek také umožňuje přesné měření vzdáleností, vytyčování přímých tras apod. Laseru lze využít i k přenosu informací. Vzhledem k šířce frekvenčního pásma viditelného světla 3.10 14 Hz lze na těchto vlnách současně přenášet kolem 30 miliónů televizních kanálů.
Lasery používají např. v ÚPT AV ČR v Brně viz navštívené Dny vědy v listopadu. Používají se jak k vrtání/řezání tlustší vrstvy kovu (lasery s větším výkonem), tak k manipulaci s velmi drobným předměty např. nanočásticemi, molekulami a bakteriemi (lasery s menším výkonem). Laserové světlo umožňuje i prostorové zobrazování z 2D nosiče a ukládání informací pomocí holografie.? Referát holografie a její užití v běžné praxi?
Jednotlivé typy laserů se liší jednak aktivním prostředím (rubínový laser má atomy chromu rozptýlené v krystalu oxidu hlinitého, neodymový laser má atomy neodymu rozmístěné ve skle nebo speciálních krystalech YAG a YAP, helium-neonový laser), jednak způsobem čerpání energie (opticky čerpané lasery získávají energii ze světla výbojky). Velkou účinnost mají lasery polovodičové (např. GaAs), které jsou součástí snímačů CD a DVD, laserových tiskáren.
Největší světelný výkon mají průtokové plynové lasery a lasery chemické. Zvažuje se užití laserů buzených jadernou energií, lasery produkující RTG záření (rasery), popř. gama záření (gasery).
Užitá literatura: ŠTOLL, Ivan. Fyzika pro gymnázia. Fyzika mikrosvěta. Praha: Prometheus, 1993, ISBN 80-85849-48-8. AUTOR NEUVEDEN. www.lao.cz [online]. [cit. 6.6.2013]. Dostupný na WWW: http://www.lao.cz/pictures/jpg/lao_info_preview/serial/1.jpg AUTOR NEUVEDEN. eofdreams.com [online]. [cit. 2.6.2013]. Dostupný na WWW: http://eofdreams.com/laser.html AUTOR NEUVEDEN. www.armlaser.com [online]. [cit. 26.6.2013]. Dostupný na WWW: http://www.armlaser.com/index.php?main_page=popup_image&pi D=44
Děkuji Vám za pozornost Mgr. Hana Stravová, Gymnázium Židlochovice